仁怀中枢城区岩土热物性特征及地源热泵开发建议

田小林

仁怀中枢城区岩土热物性特征及地源热泵开发建议

田小林1,2

（1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000；2.贵州浅层地温能开发有限公司，贵阳 550081）

岩土体的综合热物性质是决定地埋管地源热泵系统设计、保障浅层地热能开发利用的设计参数。通过对仁怀中枢城区水文地质条件及热响应试验数据综合分析研究，该区为受断裂及地形综合控制的地下水富集区和疏干区两种岩溶水系统，地下水富集区相对疏干区岩土综合热物性较好，地源热泵工程开发利用前应按岩土热物性质分区设计，以提高资源利用效率和降低建设成本。

地下水；岩土体；热物性特征；地源热泵；开发利用

仁怀中枢城区位于贵州遵义仁怀市盐津河右岸台地，发育寒武系娄山关组(∈2-3)白云岩，岩溶发育、含水岩组富水性强。受地形地貌及断裂构造控制，形成了以中枢断层为界、北西盘地下水富集、南西盘地下水贫乏的水文地质条件差异（韩至钧和金占省，1996）。总体呈现地下水富集区岩土体综合导热系数、热扩散率、地温恢复时间、单位换热量等均优于地下水疏干区的热物性特征。查明岩土热物性特征及其分布规律，才能因地制宜合理规划及开发。

1 区域地质概况

仁怀中枢城区位于贵州大娄山脉西段北侧、云贵高原向四川盆地过渡的山地斜坡地带，扬子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区之东北部、大娄山隆起褶皱带之北西侧，地质构造以北东向断裂构造为主，控制着含水岩组展布和地下水分布（王明章等，2018）。碳酸盐岩以白云岩及灰岩为主，岩溶发育强烈，溶孔、溶隙构成地下水运移、径流和富集的有利空间，碎屑岩主要以泥页岩及砂岩为主，含水介质发育弱，地下水较贫乏，岩石导热性较差，岩土热物性参数相对较小。在地下水相对富集的碳酸盐岩分布区，受地下水及地层岩性综合控制，岩土热物性参数相对疏干区往往更大，是地埋管地源热泵开发利用最为有利的区域。

2 水文地质条件

2.1 地下水系统

中枢城区处于中枢断层带，分布寒武系娄山关组(∈2-3)白云岩，岩溶发育、富水性强，含水介质以溶孔、溶隙为主，含水性较为均匀。地形地貌上处于盐津河深切河谷右岸边缘，北西部以湄潭组（O1）泥岩、页岩等相对隔水层为界、南东部以盐津河最低排泄基准面为界，形成半封闭地下水系统（王明章等，2015）。受中枢断层控制，断层上盘地下水富集而构成区内富水台地，出露泉水点多，泉流量0.83～5.6L/s，钻孔涌水量432.0m3/d，地下水位埋深4.0m；断层下盘因盐津河深切割而形成地下水疏干区，基本无泉水点出露，钻孔一般水位埋深20.5～40.6m、涌水量22.46～68.26m3/d。

图1 仁怀中枢区域水文地质略图

1.下降泉(编号；流量L/s)；2.上升泉(编号；流量L/s)；3.钻孔(编号；涌水量m3/d、静止水位m)；4.正断层；5.逆断层；6.地层界线；7.地层代号；8.地下水流向

2.2 地下水补给

补给区分布于中枢城区北东、中枢断层上盘桐梓红花园组(O1)及娄山关组(∈2-3)碳酸盐岩裸露区，地下水主要接受大气降水入渗补给，沿中枢镇-长远溪呈带状展布，补给面积大、地形较为平缓，裸露碳酸盐岩地层岩溶发育，地下水补给条件较好。

表1 地下水天然排泄点统计表

2.3 地下水径流

地下水径流受富水台地北西侧带状连续分布湄潭组（O1）泥岩、页岩等相对隔水地层、南东侧中枢阻水断层控制，沿中枢断层上盘娄山关组(∈2-3)白云岩由长远溪-中枢镇-杨家堡方向径流，富水台地地形平缓，地下水径流缓慢。中枢断层下盘至盐津河谷区域受河流深切割，地下水分散式朝盐津河谷方向径流，地形坡度大，径流速度快，形成地下水疏干区。

2.4 地下水排泄

该区共有10处泉水点出露，总排泄量24.39L/s。在中枢断层下盘至盐津河区域，地下水在盐津河谷边缘以岩溶大泉形式出露排泄，有2处岩溶大泉，总排泄量达130.0L/s。

3 岩土热物性特征

3.1 导热特征

在中枢断层上盘富水台地，ZK1号钻孔地下水埋深4.0m、涌水量432.0m3/d、综合导热系数为4.26w/m·℃；在下盘地下水疏干区，ZK2—ZK4号钻孔地下水埋深20.5～40.6m、涌水量22.46～68.26m3/d、综合导热系数为2.74～2.99w/m·℃，反映了地下水丰富的区域岩土体综合导热系数相对较大、导热性能相对较好（庄宇和潘小平，2010）。

图2 仁怀中枢富水台地剖面示意图

1.白云岩；2.石灰岩；3.泥质白云岩；4.泥质灰岩；5.断层；6.地层代号

3.2 热扩散特征

中枢城区ZK1号钻孔热扩散率为0.85×10-6m2/s，ZK2—ZK4号钻孔为1.01～1.04×10-6m2/s。ZK1号钻孔处于地下水富集区，地下水有较大比热容，加之流动特性，对换热量迅速扩散，是其热扩散率大于下盘的主要原因。中枢断层上盘地下水富集区岩土热扩散率大于下盘地下水疏干区，上盘是地埋管地源热泵开发相对更为有利的水文地质部位。

表2 岩土热物性参数统计表

3.3 地温恢复特征

地温恢复时间的长短在地源热泵工程中，是评价地温场均衡程度和换热效率的重要依据。依据现场水温测量及热响应试验：S7号上升泉及ZK1—ZK4号钻孔水温均为17.6℃，ZK1—ZK4号钻孔初始地温均为17.5℃，反映岩土体初始地温与地下水温一致、具有相同浅层地温场背景。结合热响应试验地温恢复数据，ZK1号钻孔停止加热6h地温恢复至17.5℃，ZK2—ZK4号钻孔地温恢复时间分别为10.5h、12h和11.5h，充分说明在地下水作用下地温恢复更快、更能高效促进地温场均衡（尹陈等，2020）。

3.4 综合换热特征

根据热响应测试结果，ZK1号钻孔单位换热量为72.35w/m，ZK2—ZK4号钻孔为52.64～57.22w/m，充分反映地下水富集区换热效率大于地下水疏干区。在地埋管地源热泵开发工程中，上盘地下水富集区所需地埋钻孔数量可大幅减少，经济建设成本相对下盘地下水疏干区优势明显，同时因具备较强的热扩散能力，换热效果相对下盘地下水疏干区更好、保证程度更高。

4 地源热泵开发建议

中枢城区地埋管地源热泵工程应根据上下盘岩土热物性特征分布规律进行设计部署，优先考虑部署在上盘地下水富集区，充分发挥资源优势的利益最大化。开发利用前应根据水文地质条件进行地埋钻孔合理布设及充分论证，避免盲目开发。

韩至钧，金占省. 1996. 贵州省水文地质志[M]. 北京：地震出版社.

王明章，陈萍，王中美，王诗扬. 2018. 贵州省岩溶地下水系统及地下水赋存规律研究[M]. 北京：地质出版社.

王明章，张林，王伟，陈萍，陈登齐，洪运胜. 2015. 贵州省岩溶区地下水与地质环境[M]. 北京：地质出版社.

庄宇，潘小平. 2010. 地源热泵空调系统的换热工区岩土体温度变化研究[J]. 水文地质工程地质. 37(6)：134-139.

尹陈，田小林，汤自华，杨婷婷，吴岚. 2020. 地下水对现场热响应试验换热量影响分析[J]. 西部探矿工程. 32(11)：155-157.

Thermal Properties of Rock and Soil and Development Suggestion of Ground Source Heat Pump in the Zhongshu City Proper, Renhuai

TIAN Xiao-lin1,2

(1-The 114th Geological Brigade, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Zunyi, Guizhou 563000; 2-Guizhou Shallow Geothermal Energy Development Co. , Ltd., Guiyang 550081)

Comprehensive analysis of hydrogeological conditions and thermal response test data indicates that there are two karst water systems such as groundwater enrichment area and groundwater drainage area controlled by fault and landform in the Zhongshu city proper, Renhuai. Combined thermophysical properties of the groundwater enrichment area is better than that of groundwater drainage area. The design of development and utilization of ground source heat pump project should be compartmentalized according to the thermal properties of rock and soil in order to improve resource utilization efficiency and reduce construction cost.

groundwater; rock mass; thermal property; ground source heat pump; development and utilization

2020-06-28

贵州省地矿局地质科研项目“黔北地区不同水文地质条件下碳酸盐岩热物性特征研究”(黔地矿科合[2019]18号)

田小林（1986-），男，贵州遵义市人，工程硕士，高级工程师，主要从事水工环地质及地热勘查开发工作

P641.2

A

1006-0995（2021）01-0074-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.014